TW559602B - Electric power output control system of compound type fuel-cell electric vehicle - Google Patents

Description

559602 A7 一—一 一——— — B7 五、發明說明（/ ) ^~—'〜— (一） 發明領域： 本發明係有關一種複合式燃料電池電動車輛之電力輪 控制系統，尤指一種藉由控制器區域網路介面的溝通，整2一 直流電/直流電轉換器、一固體高分子型燃料電池與小型_ 量化及高功率之二次電池…等電力源之最佳設計，使電力系= 維持在較佳操作狀態之複合式電能的電動車輛電力源控制系 統。 '、 (二） 相關技藝的說明： 按，機車長久以來就是我國數量最多之代步工具，因其具 備有輕巧、省油及停放方便的特性，故機車幾乎成為每一個家 庭必備之交通工具，但最近幾年來環保意識的抬頭（空氣中一 氧化碳及碳氫化合物的濃度昇高），嚴重地破壞大氣層的結構， 因此對於汽、機車皆制定嚴格的排放氣標準，而四行胃程的機車 具有較佳之排‘氣標準，因此逐漸地取代二行程機車成為市場 之主流。現今雖有更為嚴苛之第三、四期環保排放氣標準正準 備實施，但環保最終的目標乃在於使汽、機車達到零污染的標 準。. /、不 為了上述之目的，於是市面上已成功研發出不使用汽油做 為燃料的汽機車，改以可充電式之鉛酸電池作為電能的來源， 用以代替傳統引擎，如此便可達到零污染的標準，但其續航能 力不佳（充電完畢後約只能行駛60公里左右），且充電時間太 久（約需八小時左右）及充電站太少…等缺失，因此使相關業 者無法有效做一推展，而造成消費者購買意願不高。而本發明 即為針對習知電動機車的缺失做一改善，而研發出一全新電力 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝 --線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（j ) 輸出控制系、统’而可使電動車輛（如機車及腳踏車…等）具備 有較佳續航能力者。 另者，固體高分子型燃料電池（p〇lymer Elec廿Olyte Membrane Fuel Cell，PEMFC)，為近年來發展最為快速之燃料 電池，相較於其他種類燃料電池，係具有常溫（8〇τ以下）快 速啟動及動悲反應（Transient Response)錄的伽，未來有 可月&廣泛應用於汽機車等移動式（p〇rtable)的電力系統上， 固體高分子型燃料電池採用空氣中的氧與氫氣燃料做一反 應’’該反應過鋪她電化學的逆反應縣，反應過程中除 了產生電能及水以外，另外亦產生廢熱，卻不會排放具有毒性 的物質，因此固體高分子型燃料電池為車輛清淨能源的最佳選 擇。 固體咼分子型燃料電池的放電特性，依其膜組體 (Membrane Electrode Assembly，MEA)的特性而異，某下列 因素皆會產生影響： ' … (一） 氣體擴散層：其内部之膜組體孔洞的多募及形狀、 厚度、排水性及導電性，皆會產生影響。 (二） 作用層：其内部之觸媒種類、成分、f重金屬的含 里、晶粒大小及分佈情形，皆會產生影塑。 (三） 質子交換膜：其内部之厚度、含水量、孔洞結構、 孔洞大小與多募，皆會產生影響。 請參閱圖一所示，其係為習知之固定高分子型燃料電、也之 電流密度-電壓的特性（放電特性）曲線圖，亦稱為極_ (Polarization Curve)或者（Tafel Curve)，乃為典型之固 559602 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ------------- B7 五、發明說明（：）） 定高分子型燃料電池反應時之放電性能，在室溫（25〇c)的標 準環境下’生成-莫耳的水，雜焓匕的時為福論化， 可以轉換成為電能的Gibbs自由能為_237]J/m()le， 因1 ’理論的電能效率才達到83%，剩餘之-49 kj/m〇ie (_τ △S ) ’縣釋出的廢熱，固體高分子麵料電池因這種常溫 的電化學反應’相較_燃鱗傳統引擎，擁有較高的能源轉 換效率。其放電特性由極線圖中可以看出： A區域，燃料電池於輸出低電流密度時，受到活化損失 (ActivationLoss)的影響，零電流（無負載）時，電壓值無法 達到理論值（1.23V)，當輸出小電流密度時，電壓值快速下降， 且明顯呈現非線性。 B區域，產生的電能損失，主要是質子與電子轉移時受到 内電阻（Ohmic)的影響，即為下列四個重要參數：電極導體 的電氣阻抗、蔭極阻抗反應、陽極阻抗反應、電解質阻抗…等。 此區域的電壓即隨著電流密度的增加而呈直線比例降低。 C區域，輸出的電流密度達到最高，其損失的原因乃在於 發生大量反應時，需要的反應氣體（空氣與氫氣）分子數較多， 惟反應氣體、質子的傳輸受到質量傳輸（Mass Transfer)的限 制，來不及提供反應所需的分子數，造成電壓值的急遽下降。 本發明在有效應用固體高分子型燃料電池極線圖中，電流 密度與電壓的直線比例特性，配合直流電/直流電轉換器與控制 區域網路所連接之適切溝通控制手段，而使本發明應用於電動 車輛時，具備有良好之續航能力及輸出電力彈性者。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i裝 線·

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(三）發明之簡要說明： 基於解決以上所述習知技藝的缺失，該習知之電動車輛雖 有低ϋ呆音及不會造成空氣污染的特性，但仍存在有充電時間 長、續航時間短、及電池（鉛蓄電池）之重量太重及充電設施 不足…等問題，都使傳統之電鱗滅到極大的關，本發明 為一種複合式燃料電池電動車輛之電力輸出控制系統，其主要 目的在於藉由直流電/直流電轉換器的最佳化設計，以控制器區 域網路做為連絡的溝通工具，使電力源更趨於彈性化。 本發明之另-目的為利用小功率之@體高分子 做為電動車輔的主要電力源（PowerSource)， 轉 電池作為輔助電力源。 年一 這種複合式燃料電池電動車輛驅動控制系統特徵為： ⑴以小功率固體高分子型燃料電池做為主要基載電 源。 ⑵以高神二錢池#做健鱗餅触)電源。 (3)以固體高分子麵料電池補充高辨二次電 能。. / ⑷藉由直流電/直流電轉換器的控制，使固體高分子辦 料電池可以依路況、負載調整電力輸出，調整高功 率二次電池的充、放電動作。 (5)具複合式f能模式，職_電轉、統反應較慢的 問題，使電力輸出維持在最佳工作狀熊。 ⑻以控制器區域網路做為直流電/直流電轉換器、高功 率二次電池、燃料電池等溝通及電能管理Y冋 先 閲 讀 背 面 項 再 填 I裝 頁 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製

559602 A7 -------—-------— R7___ 五、發明說明（r~- ⑺具=合式電能模式’燃料電池為絲電源，高功率 二次電池為暫態與高負載之電源，使電力輪出具彈 性及快速，符合整車動力性能需求。 ⑻控制轉電池電力輪出，作為動力及充f使用，可 維持燃料電池在較佳效率及穩態運轉，提升整體效 率及續航距離。 ⑻透過直流電/直流電控㈣轉馳料電池之輸出電 月b成為較合適電壓範圍可使燃料電池選定更具彈 性。 (10) 燃料電池相對穩態及基載輸出規格小型化，系統響 應需求降低，同時燃料（氫氣、空氣)供應系統流量 相對降低’所衍生的系統設計及熱管理較容易。 (11) 燃料電池小型化，成本大幅降低。 (12) 雖然造成直流電/直流電轉換器成本增加，惟因應 用於燃料電池側，規格較小，成本增加有限。 為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖 示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對貴審查委員於審 查工作有所助益。 (四）圖式之簡要說明： 圖一係為習知之固體高分子型燃料電池之電流密度一 電壓特性曲線圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） --------------裝— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 士0· --線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 559602 A7 j------^------ 五、發明說明（/) 圖二係為本發明應用固體高分子型燃料電池之電流密 度一電壓特性曲線圖。 圖三係為本發明之動力輸出控制系統之結構示惫圖。 圖四係為本發明之直流電/直流電轉換器之一實^例。 圖五係為本發明之直流電/直流電轉換器之另二實施 例0 圖號說明： 10氫氣供應器 20燃料電池 30電能驅動系統 40直流電/直流電轉換器 41非隔離型直流電/直流電轉換器 42隔離型直流電/直流電轉換器 50高功率二次電池 60燃料電池電能管理單元 70控制器區域網路 80燃料電池輔助系統 (五）本發明之詳細描述： 茲配合圖式說明本發明之較佳實施例。 請參閱圖二所示，係為本發明應用固體高分子型燃料電池 之電流密度一電壓特性曲線圖，其中該固體高分子型燃料電池 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 2^7公釐）----- -----------裝 i — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) β . .-飨· 559602 A7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明（ 藉由空氣與氫氣的電化學逆反應，進行發f (麵電池可視為 一小型發電廠），在發電的過程中，因進入燃料電池的空氣壓 力、，空氣溫度、加濕狀態（濕度變化）、空氣清淨度與氫氣利 用率（Hydrogen utilization)，該燃料電池的電流密度與電壓 關，，，依圖示中之A、B、C、D區域所顯示，此為極線圖之可 能變化範圍，抑卩較高的空氣供給壓力、空氣溫度、空氣濕度、 氧氣純度及氫氣利用率，會使得曲線依參考直線E、F向右偏移， 而獲得較高輸出電流密度與較高的輸出電壓，意味著輸出功率 密度增加，當向右偏移，直線至C、D位置時，在C點的電流密度 達到最大；反之，曲線依參考直線E、F向左偏移，輸出電流密 度與電壓都降低，輸出功率密度減小，直線A、B可能是最低值 的位置，又，燃料電池於低電流密度時，雖然電壓值（電池胞 電壓）較高，但此區域之曲線L、E電壓急遽降低，同樣之狀態 下，電池於高電流密度時，電壓值（電池胞電壓）大幅降低， 如是之故，曲線L、E與曲線F、I都不適用，為維持一定值的發 電效率’電池的電壓值應控制在固定區域，其上限值為直線了、 G，下限值為直線Η、K。-言以蔽之，固體高分子型燃料電池因 空氣供給壓力、溫度、空氣清淨度、氫氣利用率··等參數的改 變，造成輸出電流密度與電壓變化，應維持在一固定操作區Α、 Η、Κ、C、G，在燃料電池合適的輸出電流密度狀態下，維持 65%〜概（電池胞電壓G.8V〜0.5V)的發電率，本發明藉由直流 電/直流電轉換器將燃料電池輸出變化寬廣的電壓（變化量25〇^ 調節至電能驅動系統適用電壓者（變化量1〇%)。 請參閱圖三所示，係為本發明之電力輸出系統之結構示意 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨裝 訂： --绦· 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱 559602 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（/ ) 圖，而該電動車輛之電力輪出系統，其係包括有： 一氫氣供應控制氫氣轉之供應^ 一燃料電池2G ’該燃料電池2Q為—固體高分子型燃料電 池，可經由反應作用後可輸出一電能。 一電能驅動祕3G，該電能驅動祕3 源之電動機，_㈣至軸請中 直流電/直流電轉換器4〇，將固體高分子型燃料電池2〇 所輸出之電能’經由該直流電/直流電轉換器4〇來改變 電壓，並輸出至電能驅動系統3〇，或對高功率二次電、、也 5〇進行充電。再請參閱圖四，係為本發明之直流電/直 流電轉換器之-實施例，其係為_麵構較為簡易之 隔離型直流電/直流電轉換器41，其内部構成之元件包 括有：；·電感（L)、一開關（sw，其構成為一㈣ 氧化半導體之場效電晶體）、二極體（D)及一電容所 ，成’該實施例林需經域壓器之轉換電壓，即 高功率二次電池50來進行充電動作。另請圖五所示，係 為本發明之直流電/直流電轉換器之另—實施例，发係 為-種結構較為複雜之隔離型直流電/直流電轉換器 42，而其⑽構件細四更為複雜，且錢包括有 壓器⑺，藉由該變壓器之轉換電壓，對高功率二 電池50進行充電之動作者。 人 一高功率二次電池50，可輸出一電能至電能驅動系統30。 -燃料電池電能管理單，控觀能的輪出流程， 電動車輛各種需要電能的裝置（如風4、散熱器..等） 「紙張尺度適心關家標準(CNSM4規x忍7公爱f (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 訂 -線. 559602 A7

五、發明說明（/ ) 能獲彳/適當的電能。 !!! -裝 i I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -控制器區細路7(3為-溝通介面，與電能驅動系統、高 功率二次電池及燃料電池電能管理單元做一連接，其係 可針對負載的需求，調整電能輪出於_定之範圍内。 -燃料電池輔助系_，提供-魏至電動車輛之附屬元 件，並使該附屬元件產生動作。 --绦· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 再者，控制器區域網路70介面（interface)，a點是燃料電 池輸出點，固體高分子型燃料電池係多重的電池胞（Cell)所堆 積而成，其輸出的電壓及電池密度依堆積的電池胞差異而有不 同變化，本發明係藉由直流電/直流電轉換器4〇，對燃料電池2〇 輸出的電壓因應高功率二次電池負載回饋（Feedback)進行切 換控制，當電壓輸出大於最大容許電壓值（〇·8ν)及小於最小 容許電壓值（0.5V)時，直流電/直流電轉換器4〇即關閉來自燃 料電池20的電壓輸出，確保燃料電池2〇維持一定值的發電效 率，此時電動車輛的電力源悉由燃料電池5〇供給。Β點是高功 率二次電池5〇與直流電/直流電轉換器4〇的輸出匯集點，藉由直 流電/直流電轉換器40的最佳化設計與控制器區域網路7〇介面 溝通連繫，當高功率二次電池50充電狀態（State 0f charge， SOC)高於90〜100%，該控制區域控制網路7〇提供訊息，停止 燃料電池20對高功率二次電池5〇充電，充電狀態80%〜90%為充 電動作的限制範圍，當充電狀態〇%〜4〇%時，即停止放電，充 電狀悲為40%〜60%，則是放電的限制範圍，其控制的工作區域 是充電狀態在60%〜80%區間。 本紙張尺度中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 2¾公爱） 559602 A7 -------—_________ 五、發明說明（〆） 再者，本發明在整合固體高分子燃料電池的電流與電壓在 最佳發電效率關，以錢電/直流轉換H.為調節燃料電 池20輸出的緩衝器（Buffer)，且藉由控制器區域網路7〇介面， 提供直流電/直流電轉換器40訊號，調節高功率二次電池5〇之 充、放電動作，亦即當燃料電池電動車輛高負載（如爬坡或瞬 間加速）時，電能由燃料電池20輸出與高功率二次電池5〇輸出 共同供給，而中、低負載（定速巡航）時，則視高功率二次電 池50的充電、放電狀態，再決定是否由具備隨車充電器功能的 燃料電池20進行域工作，使燃料電池2〇因此可以維持在最佳 工作狀態，直流電/直流電轉換器4〇亦可視為是電力負載、高功 率一次電池50、燃料電池2〇···等三者之間的調節器 (Regulated。燃料電池電動車輛電力控制系統由控制器區域 網路70介面連接，控制器區域網路7〇介面具有快速數據轉換速 率（FastDataTransferRates)、彈性（FlexMity)與容易實施 (Easy Implementation)…等特徵，因應電動車輛電力負載需 求，達成最佳化電力應用的目的。 綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭 示、，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深富實施 之進步性，極具產業之利用價值，a為目前市面上前所未 見之運用’依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明 專利之要件。 I*隹以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，

ί紙張尺度適用中----J !! -裝 i I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A-T· --線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 559602 A7 _B7_ 五、發明說明（//) 能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵 蓋之範圍内，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至 禱0 --------I--I--裝·-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： •象· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 釐 公 297 X 10 (2 格 規 A4 S) N (C ί 標 家 國 國 中 用 適 度 尺 張 紙 本

Claims (1)

1. 559602

   申請專利範圍 h 一包=合式燃料電池電動車輛之電力輪出控制系统， 其係 經濟部智慧財產局員工消费合作社印制取 -氫氣供應H，贱控魏氣燃料之供廉· 為能源之 2流電/直流電轉換器，將燃料電池所輪出之電能，娘 ==電轉換器來改細及電流，並輪’: 一高功率二次電池，可輪出—魏至魏驅動系統； 一燃料電池電能管理單元，控㈣能的輸㈣程，以使電 動車辅各種需要電能的裝置能獲得適當的電能；以及 一控制器區域網路’與電能驅動系統、高功率二次電池及 燃料電池電能管理單元做一連接，其係 求，調整電能輸出於—定之範圍内。 、 2. 如申β專利範圍第1項所述之—種複合式燃料電池電動車 輛之電力輸出控制系統，其中該高功率二次電池可能為複 數個鋰電池串聯而成。 3. 如申研專利範圍第1項所述之一種複合式燃料電池電動車 輛之電力輸出控制系統，其中該系統内更係設置有一燃料 電池辅助系統，提供一電能至電動車輛之附屬元件，並使 該附屬元件產生動作。 4·如申明專利範圍第1項所述之一種複合式燃料電池電動車 本紙張尺度·中國國家標HFnS)A4^ (210 X 2b公釐） I I — — — — — — —— — — —— - I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· -線. 申請專利範圍 輪之電力輪出控制系統，其中該系統内更係設置有一燃料 電池’該燃料電池可經由反應作用後可輸出一電能。 •如申請專利範圍第4項所述之一種複合式燃料電池電動車 輛之電力輪出控制系統，其中該燃料電池為一固體高分子 燃料電池。 6·如申凊專利範圍第5項所述之一種複合式燃料電池電動車 輛之電力輸出控制系統，其中該固體高分子型燃料電池當 做隨車式充電器，而對高功率二次電池做一充電之動作。 7·如申凊專利範圍第1項所述之一種複合式燃料電池電動車 輛之電力輸出控制系統，其中該直流電/直流電轉換器更係 可做為燃料電池、高功率二次電池與電能驅動系統之間之 調節器。 8·如申請專,範圍第1項所述之一種複合式燃料電池電動車 輛之電力輸出控制系統，其中該直流電/直流電轉換器將變 化寬廣的電壓（變化量25%)調節至電能驅動系統適用°電壓 者（變化量10%)。 9· 一種複合式燃料電池電動車輛之電力輸出控制系統，其係 包括有： 〃 ” 一氫氣供應器，用以控制氫氣之供應； 燃料電池，該燃料電池可經由反應作用後可輪出一電 -電能驅動祕，該電能_纽為―以直流電為能源之 電動機，並可輸出電力至傳動裝置； —直流電/錢電轉換n，_料電崎輸ώ之電能

   申凊專利範圍 由5亥直流電/直流電轉換器來改變電壓，並輪出至電能 驅動系統； 岭出至“ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -高功率二次電池’可輸出一電能 理單元，控制電能的輪出=以使電 2而要電柄i置能獲得適當的電能； 控制純域_，與絲鶴祕 燃料電池電能管理單元极、仏甘牛―人〜也及 求，鋼敕魏1 連其係可針對負載的需 «周整電I輸出於_定之範_ ;以及 電池辅料統，提供—電能至電動輪之附屬元 仵，亚使該附屬元件產生動作。 10. 項所述之-種複合式燃料電池電動車 、輪出控制系統’其中該燃料電 燃料電池。 口魃冋刀于 11·=申請專魏圍第9韻狀—觀料 -線- 輕之電力輸出控制系統，i中兮古功圭皁 數個鐘電池串聯喊。、中知力率—錢池可能為複 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 12.2==範圍第9項所述之一種複合式燃料電池電動車 輛之電力輸出控制系統，1中誃囡鲈古八 13. :=範圍第9項所— 制系統’其中該直流電/直流電轉換器更係 調=燃料電池、高功率二次電池與電能驅動系統之間之 14. 如申請專利範圍第9項所述之—種複合式轉電池電動車 义釐〉 Μ氏張尺度—中 559602 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 輛之電力輸出控制系統，其中該直流電/直流電轉換器將燃 料電池輸出變化寬廣的電壓（變化量25%)調節至電能驅動 系統適用電壓者（變化量10%)。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 2砑公釐）